测控技术第七章课件

第七章信号的频域分析与测量－、引言

频域和时域表明了动态信号的两个观察面，即这两种观察信号方法的角度不同。波形分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频谱分析是把动态信号变为以频率轴为坐标表示出来。时域表示较为形象和直观，频域表示动态信号则更为简练，剖析问题更加深刻和方便。频域的分析和测量包括两类：一是分析信号的频谱特性，另一是测量系统（网络）的频域特性（又称扫频测量）。1、信号的频谱分析概述

一个平稳信号的非实时频谱分析，采用了频率扫描的工作方式，如下图所示。

数字式滤波器及FFT技术在信号的频谱分析中得到广泛的应用。

2、频率特性的测量（扫频测量）概述

在扫频测量中，用一个频率随时间按一定规律，在一定频率范围内扫动的扫频信号代替以往使用的固定频率信号，可以对被测网络或信号频谱进行快速、定性或定量的动态测量，给出被测网络的阻抗特性和传输特性的实时测量结果。

1、频谱分析仪的种类

频谱分析仪种类繁多，可以从多种角度对它们进行分类。例如，可分为模拟式和数字式、实时型和非实时型、单通道和多通道型、滤波法和计算法等。模拟式频谱仪是以模拟滤波器为基础构成的；数字式频谱仪是以数字滤波器或FFT为基础构成的。实时分析是指在长度为T的时间内完成的频率分辨率达到1/THz的谱分析，因此只能在一定的频率范围内进行实时分析。在该范围内，分析速度数据采集速度相匹配，不会发生数据“积压”现象。如果要求分析的信号频带超过了这一频率范围，则分析成为非实时的，对于平稳信号，其频谱不随时间变化，则无需实时分析。2、滤波式频谱分析

（1）滤波式频谱分析的基本组成和性能指标

带通滤波器主要考虑的性能指标有带宽、波形因子、响应时间，动态特性等。带宽——

通常用半功率带宽即3dB带宽BW3来表示滤波器的带宽。

滤波器的带宽反映了它能区分两个靠得很近、同样幅值、不同频率信号的能力。带宽越窄，频率的分辨率越高。

波形因子——波形因子定义为滤波器特性曲线两侧衰减达60dB的带宽BW60与3dB带宽BW3之比，表示为SF=BW60

/BW3，它反映了频谱仪能区分幅度相差很大（60dB）的两个频率分量的能力，它也被当作选择性指标。

响应时间和动态特性

——通常将达到稳定幅度90％所需的时间称为滤波器的响应（建立）时间，记做TR，它与带宽BW成反比。由于扫描式频谱仪工作时总是处在扫描过程中，输入至滤波器的信号是一个动态信号，滤波器不断处于新信号的建立过程中，因而出现动态频率特性曲线，且随着扫速变化而变化，如图所示。

当扫速一定时，滤波器的动态分辨力带宽BWd与静态分辨力带宽BWs的关系曲线如图所示。由图可见，存在一个BWs值，对应该扫速下的动态分辨力带宽BWd最小。这一BWd值称为最佳动态分辨力，记作BWod，与之相应的静态分辨力为BWos。理论上，两者之间关系为

频谱仪中采用有效值检波，检波包含了平方检波、平均和开方的处理过程。平均时常数TA的大小，对频谱分析结果有较大影响，尤其是分析瞬态信号或非平稳信号时。在分析周期信号和平稳噪声信号时，应使RC常数与带通滤波器的中心频率f0和带宽BW相适应，TA可表达为还可以根据要求的误差范围，来选择平均时常数的长度。对于平稳随机信号，经滤波器和检波器后，测得值的相对标准偏差为

RSA6100A系列高性能实时频谱分析仪性能参数革命性的DPX®频谱处理技术，每秒执行>48,000次频谱测量，可分析最短至24μs的瞬变基于发生频度的颜色等级显示触发标配可变带宽中频功率触发、外部触发和线路触发40MHz和110MHz频率模板触发，检测频域中的任何变化捕获6.2GHz和14GHz两种型号高达110MHz的捕获带宽，>73dBc的动态范围3GPP信号上79dBcACLR测量功能(已校正噪声)高达1GB的采集内存分析全面的时间相关多域显示，把频率、相位、幅度和调制随时间变化问题关联起来基于Windows的用户界面，10.4英寸触摸屏、小键盘、鼠标和键盘输入标配USB,1GbLAN,GPIB和DVD/RWTEKReal-TimeSpectrumAnalyzerRSA3408•RSA3303A•RSA3308A•WCA230A•WCA280A

RSA3408•RSA3303A•RSA3308A•WCA230A•WCA280A

TriggerTektronixExclusiveFrequencyMaskTriggerMakesEvent-basedCaptureofTransientRFSignalsEasybyTriggeringonAnyChangeintheFrequencyDomainCaptureAllInputSignalsupto36

MHz*1SpansareSeamlesslyCapturedIntoMemoryLongRecordLengthEnablesCompleteAnalysisOverTimeWithoutMakingMultipleAcquisitionsInterfaceswithTekConnect®ProbesforRFandBasebandProbingAgilentPSA系列

E4448A频谱分析仪E4448A特性动态范围-154dBm显示平均噪声级（DANL）+18dBm三阶互调（TOI）（+21dBm典型）-116dBc/Hz相位噪声（10kHz偏置）（-118dBc/Hz典型）精确度±0.62dB绝对振幅精度(±0.24dB典型)±0.38dB频率响应(±0.11dB典型)±0.07dB对数放大线性度速度快速低电平寄生搜索<30ms快速ACP测量50测量/秒本地更新率，45测量/秒远地测量标准特性：具有自动量程功能的全数字IF相噪优化全套检波器套件160个分辨率带宽设置（10%步进)2dB步进衰减器FFT及扫频测量模式门通选扫频全套单键功率测量用内置的CISPR和MIL标准预兼容EMI检波器和带宽进行EMI测量可选特性:简便易用的内置PSA系列测量专用件

调制分析及链接到89601A矢量信号分析软件使频率覆盖至325GHz的外部组合

内置前置放大器(选项1DS:100kHz-3GHz;选项110:10MHz-50GHz)E4407B-COMESA-E通讯测试分析仪特性0.4dB的总体幅值精度1Hz至5MHz的分辨率带宽（RBW：分辨率带宽）16dBm第三阶截获（TOI）-167dBm的显示平均噪声电平（DANL）精确频率参考10MHz的解调带宽GSM/GPRS/EDGE、cdmaOne及灵活的调制分析测量特性

同安捷伦广受欢迎的89601A矢量信号分析软件结合，可得到完整的灵活解调分析和深度解决问题的工具

支持噪声系数测量特性的集成测量

支持相位噪声测量特性的集成测量

调制分析特性

CATV服务与安装特性

程序代码对HP8566/68的兼容性

程序代码对8590系列频谱分析仪的兼容性

免费的IntuiLinkPC软件，用于屏幕显示和数据传输

BenchLink频谱分析仪连接软件

全球支持易于选择快速交付SCPI编程及IVICOM驱动程序支持

设被测信号为：

x(t)=sinω1t+sin2ω1t+sin3ω1t（3）顺序式频谱仪与并行滤波式相比，顺序滤波式频谱节省了大量的检波电路，但必须考虑检波器的时常数和记录仪的动态特性。(5)外差式频谱仪

外差式频谱仪由于进行扫描分析，是一种顺序分析法，信号中的各频率分量不是同时被测量的，因而不能提供实时分析，只适用于周期信号或平稳噪声的分析，外差式频谱仪具有频率范围宽、灵敏度高、频率分辨力可变等优点，是频谱仪中数量最多的一种，从几十Hz到325GHz范围内都有产品，高频频谱仪几乎全部是外差式的。目前常用的外差扫频式频谱仪有全景式和扫中频式两种，前者可在一次扫频过程中观察信号整个频率范围的频谱；后者一次扫描过程只能观察某一较窄频段的频谱，但可以实现较高分辨力的分析。

（6）数字滤波式实时频谱仪

利用数字滤波器可以实现频分复用和时分复用，因而仅用一个数字滤波器，即可构成一个与并行滤波法等效的实时频谱分析仪。方案如图所示。

数字滤波器工作的时间过程，从微观上看是时分的，而从整体上看各个频率滤波是“同时”进行的，因而分析过程是实时的，数字系统的工作速度决定了等效通道的多少。

3、计算法频谱分析

（1）计算法频谱仪的基本构成

计算法是采用快速傅立叶变换（FFT）和数字滤波等数字信号处理技术，通过对采集的信号序列进行频谱计算，得到信号的频谱分析的，它的基础是FFT计算，计算法频谱分析仪的构成如图所示。数据采集

数据采集部分是由抗混叠低通滤波器、采样保持（S/H）和ADC几个部分组成。谱泄漏——

若截取长度T不与信号周期成整数倍关系，则周期信号的基频和各次谐波不在n/T

频率上，卷积后，各频率分量将泄漏到其它谱线位置上，造成谱泄漏。因此对周期信号应采用同步采集，即使一个样本长度T内含整数个信号周期。对于非周期信号，它的频谱在频率在轴上连续取值，因截断带来的泄漏现象不可避免，只能在进行频谱计算之前对采样序列进行窗函数加载，使泄漏现象得到改善。数字信号处理（DSP）

DSP部分的核心是FFF运算，通过它进行包括频谱分析在内的各种运算，获得信号的复数谱，它包含了振幅谱和相位谱的信息。为了减少噪声对信号的影响，DSP中还采用了平滑和平均，以保证频谱分析质量。平滑——

平滑通常采用低通滤波器来实现，滤除高频干扰，可使信号被平滑。平均——

在计算频谱时，通常是将多个频谱做总体平均，用来减少平稳随机过程信号频谱的统计误差，使谱质量大为提高。通常，FFT分析仪在给定指标时，也指明是对多少次的平均而言。

频率分辨力是频谱仪的重要指标。在滤波法中，对于两个等幅的，频率为f1和f2的正弦信号，将谷点比峰点下降3dB时，两峰的频率间隔作为滤波器的分辨力带宽。

在计算法中若也用这个频率间隔作为频率分辨力值Δf=|f1-f2

|，则计算频谱仪的分辨力近似为可见，可以通过增加样点数N或增加采样时间T来提高频率分辨率。计算法谱分析的基本步骤如下：·

选定频率范围，并由此设定抗混叠低通滤波器的带宽；·

选择采样频率fs

>2.56fmax，如果抗混叠低通滤波器的截止特性不好，则应适当提高采样频率以补偿；·根据频率分辨力的要求，选定点数N，使在被分析信号序列的长度内包含两个以上的基频周期；·设定平均方式和平均参数，选择窗函数类型；·最后对所得到的离散谱做出正确的解释。（2）FFT分析仪

采用数字中频的外差式频谱仪

这种频谱仪融合了外差扫描与数字处理、实时分析技术于一体，使频谱分析仪的性能得到很大提高。

数字中频由如下两部分组成：(1)采用数字带通滤波器取代模拟中频滤波器数字滤波器可做成很窄的分辨力带宽和很优良的波形因子，可以使扫速提高，这就从根本上改善了频谱分析的质量。(2)采用FFT实时分析，提高了分辨力和分析速度。

FFT过程可视为一组滤波器同时工作，这是一种实时分析技术，速度比单个滤波器进行扫描式分析快了数百倍。

由于中频采用了数字技术，可采用数字功率测量来代替传统的检波，这时对于不同类型的信号，都能进行准确的功率测量。

4、频谱分析仪的技术指标(1)频率特性

频率范围——能够分析信号的频率下限至上限的频段。频率分辨力——能够区分谱线间隔的最小值。

(2)幅度特性

动态范围——表征频谱仪同时显示大信号和小信号的能力，它是指显示信号中最大与最小谱值的差，以dB表示。灵敏度——最小可分析的信号电平，表征频谱仪测量微小信号的能力。

幅度精度(或误差)——所测得的谱值的幅度读数精度。

（3）分析速度与扫频速度

分析速度——指完成一次频谱分析所需要的时间。扫频速度——扫频宽度与分析时间之比，与仪器的动态分辨力密切相关。

5、频谱分析仪的发展趋势

实时化、数字化成为趋势。利用数字滤波器和FFT取代模拟滤波器，用数字计算代替检波，使频率分辨力和灵敏度大为提高，并提高了精度、扩大了动态范围、波形适用性强。在现代频谱仪中采用了高性能的数字信号处理（DSP）芯片，使分析速度、精度和分辨力等指标不断提高。

6、频谱分析仪的应用

（1）用频谱仪测量失真度失真的概念

幅度失真——系统对不同频率的信号的输出幅度不同，产生幅度失真；

相位失真——系统对不同频率信号相移的非线性，产生相位失真。非线性失真——电路中器件的非线性产生的失真，又称谐波失真。非线性失真不同于幅度失真和相位失真，它使输出信号产生了输入信号中没有的频率成分。

非线性失真的程度用非线性失真系数r表示，其定义为信号谐波总功率与基波功率之比的算术根，即非线性失真系数简称为失真度，通常用百分比表示。测量非线性失真的方法主要有两种：频谱分析法和基波抑制法。用频谱仪测量失真度用频谱仪的测量调制度

用频谱仪测量调幅度：调幅系数

ma=Um/Uc,Uc=0dB用频谱仪测量调频系数：调频波的瞬时角频率为

调频系数：mf=Δω/ωm

用频谱仪测量调频波时是借助于贝赛尔函数的计算来确定调频系数mf和频偏Δf的。三、系统的频率特性测量1、概述如图是利用扫频信号发生器和示波器测量频率特性的原理方框图。由扫频信号发生器、示波器、检波器构成的专门用来测量频率特性的仪器称为频率特性测试仪。频率特性测试仪通常又称作扫频仪。

对于扫频仪来说，扫频信号的中心频率应当是被测网络通频带的中心频率，扫频宽度应略大于被测网络带宽。为此要求扫频振荡器的中心频率及扫频宽度均可独立调节。此外，若被测网络的通频带很窄，那么它对快速瞬变过程将不能做出快速的反应，这时扫描信号的频率应足够低，否则显示的频率将产生较大的失真。多数扫频仪本身都带有扫频振荡器。按照扫频振荡器的类型，可将扫频仪分为变容管扫频仪、磁调制扫频仪等。有的扫频仪本身不带扫频振荡器，它借助于扫频信号发生器测量网络的频率特性，这种扫频仪称为通用扫频仪。2、光点扫描式通用扫频仪

通用扫频仪本身没有扫频振荡器，它能